CN113690586A - 一种用于水下探地雷达的定向天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于水下探地雷达的定向天线，属于探地雷达技术领域。本发明的定向天线包括天线片和反射腔，其中，天线片由圆形基片构成，基片的正反两面敷有金属材质的扇形结构偶极子，偶极子的馈电处位于圆形基片的圆心处，并且在馈电处设置金属过孔实现正反两面的扇形偶极子的电连接。以使得天线片拥有宽带性能，反射腔为一个圆柱形的金属腔体，上端敞开，底部闭合；天线片通过支撑固定杆固定在反射腔上，水密连接器固定在反射腔底部，水密连接器通过巴伦与天线片实现电连接，该巴伦固定在在反射腔底部，以保证结构的稳定，在反射腔内安装密封板，并在腔内注入填充液，用以消耗天线片朝反射腔内部辐射的部分电磁波能量，提升天线的时域性能。

Description

一种用于水下探地雷达的定向天线
技术领域
本发明涉及探地雷达技术领域，特别涉及一种用于水下探底雷达的定向天线。
背景技术
大坝，桥梁等一系列的基础建设中，前期的探测以及后期的监测都是至关重要的。另外一些水下遗址的挖掘或者绘图也离不开相关的测量。探地雷达作为一种快速无损的测量方式已有报道可用于水下探测，例如水下考古、水下地质勘探。常见的做法是使用普通的商业雷达进行测量，将雷达置于水面往下探测，例如置于水面船舶之上，往下探测。这样做会使得一大部分能量在空气与水的交界面就被反射回来，因而减弱了雷达的探测能力。另外，也有将雷达天线直接放入水中的，但由于探地雷达工作频率大多都处于10-500MHz频段内，因而天线尺寸较大，放在水下造成的阻力过大，不利于水下测量。
基于此，研究一款结构紧凑且适用于水下环境的宽带定向天线，对于基于雷达的水下探测是必要且有意义的。
发明内容
本发明的发明目的在于，针对现有技术的不足，提供了一种适用于水下工作环境的小尺寸探地雷达天线，该天线不仅体积细小、适用于水下环境，而且还拥有超宽的宽带性能、定向辐射功能以及很好的时域特性。
本发明提供的一种用于水下探地雷达的定向天线，包括：
天线片，所述天线片由圆形基片构成，圆形基片的正反两面敷有金属材质的扇形结构的偶极子，所述圆形基片的圆心处设置天线片馈电过孔，且所述天线片馈电过孔的周边设置有金属过孔，圆形基片的正反两面的扇形结构的偶极子通过所述金属过孔电连接；
反射腔，所述反射腔为圆柱形的金属腔体，上端敞开，底部闭合；所述反射腔的内部固定有密封板，在反射腔内形成密闭空间，所述密闭空间中注入有填充液；
所述天线片通过支撑固定杆固定在所述反射腔的顶部；
巴伦，所述巴伦的一端固定在反射腔的底部，另一端通过密封板和天线片馈电过孔对天线片进行馈电；
水密连接器，所述水密连接器固定在反射腔的底部，并通过巴伦与天线片电连接。
在本发明提供的用于水下探地雷达的定向天线的天线结构中，通过天线片的金属过孔实现正反两面的偶极子的电连接，从而使得天线片拥有宽带性能；巴伦固定在反射腔的底部，以保证天线结构的稳定；在反射腔内安装密封板，并在形成的密闭空间注入填充液，用以消耗天线片朝反射腔内部辐射的部分电磁波能量，提升天线的时域性能。
进一步的，所述天线片的圆形基片上还设置有金属材质的翼状结构，翼状结构中横截面较大的一端与一个扇形结构的偶极子相连，即翼状结构位于圆形基片上偶极子不在的区域，类似于机翼结构，从首端开始横截面逐渐减小，且首端与一个偶极子连接，以此来降低天线片的工作频率，达到缩小天线尺寸的目的。
进一步的，所述翼状结构可以设置为月牙状的翼结构，以进一步降低天线片的工作频率，缩小天线尺寸。
进一步的，所述天线片的圆形基片上设置有天线片支撑杆固定孔；所述反射腔的底部设置有反射腔支撑杆固定孔、水密连接器安装孔、巴伦固定器固定孔和水密连接器固定孔，所述密封板设置有密封板支撑杆固定孔和密封板巴伦过孔；
所述支撑固定杆通过反射腔支撑杆固定孔固定在反射腔的底部，并通过密封板支撑杆固定孔将密封板固定在反射腔的内部，以及通过天线片支撑杆固定孔将天线片)固定在所述反射腔的顶部；
所述水密连接器穿过反射腔底部的水密连接器安装孔，并通过水密连接器固定孔固定在反射腔底部；
所述巴伦的一端通过巴伦固定器固定在反射腔的底部，且与水密连接器电连接，巴伦的另一端通过密封板巴伦过孔和天线片馈电过孔对天线片进行馈电，其中巴伦固定器通过所述巴伦固定器固定孔固定于反射腔底部。
进一步的，圆形基片的每一面均设置两个对称分布的扇形结构的偶极子
进一步的，所述水密连接器为水密射频电连接器。
本发明提供的技术方案至少带来如下有益效果：
(1)天线具有定向辐射的能力；
(2)天线具备在水下工作的能力；
(3)天线结构紧凑，尺寸细小，水下工作时产生的阻力小，便于雷达水下测量。
(4)反射腔中注入了损耗电磁波的填充液，该液体介电常数与水相近，在损耗吸收电磁波时产生反射很小，减弱了反射腔给天线性能带来的负面影响，使得天线具备很好的时域性能。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1为本发明实施例提供的用于水下探地雷达的定向天线的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的用于水下探地雷达的定向天线的剖面图；
图3为本发明实施例提供的用于水下探地雷达的定向天线的天线片结构图；
图4为本发明实施例提供的用于水下探地雷达的定向天线的无月牙形金属翼的天线片结构图；
图5为本发明实施例提供的用于水下探地雷达的定向天线的密封板结构图；
图6为本发明实施例提供的用于水下探地雷达的定向天线的反射腔俯视图；
图7为本发明实施例提供的用于水下探地雷达的定向天线的反射腔仰视图；
图8为本发明实施例提供的用于水下探地雷达的定向天线的天线片在有无月牙形金属翼情况下的回波损耗图。
附图标记：1——支撑杆，2——天线片，2-1——扇形结构的偶极子，2-2——月牙状的翼状结构，2-3——天线片馈电过孔，2-4——天线片支撑杆固定孔，2-5——天线片金属过孔，3——密封板，3-1——密封板支撑杆固定孔，3-2——密封板巴伦过孔，4——反射腔，4-1——槽缝，4-2——反射腔支撑杆固定孔，4-3——水密SMA接头安装孔，4-4——巴伦固定器固定孔，4-5——水密SMA接头固定孔，5——巴伦，6——填充液，7——巴伦固定器，8——水密SMA接头。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
参加图1至图7，本发明实施例提供的用于水下探地雷达的定向天线包括：支撑杆1、天线片2、密封板3、反射腔4、巴伦5、填充液6、水密SMA接头8(水密射频电连接器，也可称为承压SMA接头)。其中，天线片2由圆形基片构成，圆形基片的正反两面敷有扇形结构的偶极子2-1，其材质为金属材质，扇形结构的偶极子2-1的馈电处位于圆形基片的圆心处，即在圆形基片的圆心处设置天线片馈电过孔2-3，且所述馈电处设置有天线片金属过孔2-5，即在天线片馈电过孔2-3的周边设置天线片金属过孔2-5，用于正反两面的扇形结构的偶极子2-1之间的电连接，如图2所示；反射腔4为圆柱形的金属腔体，上端敞开，底部闭合，且反射腔4的内部固定有密封板3，从而在反射腔内形成密闭空间，该密闭空间中注入有填充液6；而天线片2则通过支撑固定杆1固定在反射腔4的顶部；巴伦5位于反射腔4内，巴伦5的一端固定在反射腔4的底部，另一端通过密封板3和天线片馈电过孔2-3对天线片2进行馈电；水密SMA接头8固定在反射腔4的底部，并通过巴伦5与天线片2电连接。
在一种可能实现的方案中，所设置的扇形结构的偶极子2-1在每一面上的数量为2，且呈对称分布。而连接正反两面的扇形结构的偶极子2-1的金属过孔则位于天线片馈电过孔2-3的两侧，如图3所示。
为了降低天线片的工作频率，达到缩小天线尺寸的目的，在天线片2的圆形基片的正反面设置金属材质的月牙状的翼状结构2-2，需要说明的是，该翼状结构的形状也可以设置为其它形状，该翼状结构中横截面较大的一端与一个扇形结构的偶极子相连，形成一片整体成型的金属片(即带翼状结构的扇形偶极子)，如图3所示。天线片2的正反两面都敷有该整体成型的金属片，并通过天线片金属过孔2-5实现电连接，为了更好的描述带翼状结构的扇形偶极子的结构优势(尤其是月牙状的翼状结构2-2)，图8显示了有无月牙状的翼状结构2-2的天线片的回波损耗曲线，该回波损耗曲线是按天线在水下环境情况下计算仿真得到。回波损耗曲线显示，有月牙状的翼状结构2-2的天线的工作频率下限减小，说明增加月牙状的翼状结构2-2可以进一步降低天线的工作频率，达到了进一步减小天线尺寸的目的。
在一种可能的实现方式中，水密SMA接头8穿过反射腔4底部的水密SMA安装孔4-3，并且用四颗螺钉通过反射腔4底部的四个水密SMA固定孔4-5固定在反射腔4的底部，其中，水密SMA固定孔4-5的优选结构为螺纹孔；支撑固定杆1通过反射腔4底部的反射腔支撑杆固定孔4-2安装在反射腔4的底部，然后通过密封板3的密封板支撑杆固定孔3-1将密封板3固定在反射腔4内部，接着再通过天线片2的天线片支撑杆固定孔2-4将天线片2固定在反射腔4的顶部(前部)；巴伦5安装在反射腔4内，在巴伦5的一端用巴伦固定器7将其固定在反射腔4的底部，并且让巴伦5与水密SMA接头8电连接，其中，巴伦固定器7通过四个巴伦固定器固定孔4-4固定在反射腔4的底部，巴伦固定器固定孔4-4的优选结构为螺纹孔；然后通过密封板3的密封板巴伦过孔3-2和天线片馈电过孔2-3对天线片2进行馈电。同时，固定在反射腔4内部的密封板3使用防水胶水做密封处理，以便于在反射腔4内行成密闭空间，并在该密闭空间内注入填充液6，如图2、图5至图7所示。
在一种可能的实现方式中，反射腔4的前端腔壁上开刻槽缝(缝隙)4-1，该槽缝4-1的深度的取值范围为反射腔4的腔体深度的1/6至1/4；本实施例中，槽缝4-1的缝隙数量为36条以上，由于缝隙数量越多天线的工作频率会越低，因此在制造工艺满足的情况下缝隙数量越多越好。
填充液6用于吸收损耗天线片2的后向辐射电磁波，减小反射腔4对天线性能的负面影响，在一种可能的实现方式中，填充液6的相对介电常数可设置为60-80，电导率为0.2-4s/m,具体的可根据测量环境的相对介电常数设定。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
以上所述的仅是本发明的一些实施方式。对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种用于水下探地雷达的定向天线，其特征在于，包括：
天线片(2)，所述天线片(2)由圆形基片构成，圆形基片的正反两面敷有金属材质的扇形结构的偶极子(2-1)，所述圆形基片的圆心处设置天线片馈电过孔(2-3)，且所述天线片馈电过孔(2-3)的周边设置有金属过孔(2-5)，圆形基片的正反两面的扇形结构的偶极子(2-1)通过所述金属过孔(2-5)电连接；
反射腔(4)，所述反射腔(4)为圆柱形的金属腔体，上端敞开，底部闭合；所述反射腔(4)的内部固定密封板(3)，在反射腔(4)内形成密闭空间，所述密闭空间中注入有填充液(6)；
且所述天线片(2)通过支撑固定杆(1)固定在所述反射腔(4)的顶部；
巴伦(5)，所述巴伦(5)的一端固定在反射腔(4)的底部，另一端通过密封板(3)和天线片馈电过孔(2-3)对天线片(2)进行馈电；
水密连接器(8)，所述水密连接器(8)固定在反射腔(4)的底部，并通过巴伦(5)与天线片(2)电连接。
2.如权利要求1所述的定向天线，其特征在于，所述天线片(2)的圆形基片上还设置有金属材质的翼状结构，翼状结构中横截面较大的一端与一个扇形结构的偶极子(2-1)相连。
3.如权利要求2所述的定向天线，其特征在于，所述翼状结构为月牙状的翼结构(2-2)。
4.如权利要求1所述的定向天线，其特征在于，所述反射腔(4)顶部的腔壁开刻有一定数量的等间隔的槽缝(4-1)。
5.如权利要求4所述的定向天线，其特征在于，所述槽缝(4-1)的深度的取值范围为：反射腔(4)的腔体深度的1/6至1/4。
6.如权利要求1所述的定向天线，其特征在于，所述天线片(2)的圆形基片上设置有天线片支撑杆固定孔(2-4)；所述反射腔(4)的底部设置有反射腔支撑杆固定孔(4-2)、水密连接器安装孔(4-3)、巴伦固定器固定孔(4-4)和水密连接器固定孔(4-5)，所述密封板(3)设置有密封板支撑杆固定孔(3-1)和密封板巴伦过孔(3-2)；
所述支撑固定杆(1)通过反射腔支撑杆固定孔(4-2)固定在反射腔(4)的底部，并通过密封板支撑杆固定孔(3-1)将密封板(3)固定在反射腔(4)的内部，以及通过天线片支撑杆固定孔(2-4)将天线片(2)固定在所述反射腔(4)的顶部；
所述水密连接器(8)穿过反射腔(4)底部的水密连接器安装孔(4-3)，并通过水密连接器固定孔(4-5)固定在反射腔(4)底部；
所述巴伦(5)的一端通过巴伦固定器(7)固定在反射腔(4)的底部，且与水密连接器(8)电连接，巴伦(5)的另一端通过密封板巴伦过孔(3-2)和天线片馈电过孔(2-3)对天线片(2)进行馈电。
7.如权利要求1至7所述的定向天线，其特征在于，圆形基片的每一面均设置两个对称分布的扇形结构的偶极子(2-1)。
8.如权利要求1至7任一项所述的定向天线，其特征在于，所述填充液(6)的相对介电常数为60至80，电导率为0.2s/m至4s/m。
9.如权利要求1所述的定向天线，其特征在于，所述支撑固定杆(1)的数量为2。
10.如权利要求1所述的定向天线，其特征在于，所述水密连接器(8)为水密射频电连接器。
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SE01 Entry into force of request for substantive examination
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GR01 Patent grant
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